Вероятность жизни (Глава 2 часть 4)
Ученые полагают, что около трех миллиардов лет назад общий предок дал начало двум основным ветвям бактериоподобных организмов. Одна из них соответствует современным эубактериям, а вторая – современным археям (архебактериям). Эубактерии представляют собой многочисленную группу организмов, которую обычно называют просто бактериями. Это одноклеточные и микроскопические организмы. Группа включает в себя как патогены, вызывающие туберкулез, сифилис, чуму и сибирскую язву, так и бактерии непатогенного характера. Бактерии живут во всех возможных местах планеты и являются удивительно приспособляемыми, благодаря своей особенности производить и перерабатывать самые разные химические вещества. В свою очередь архебактерии особенно интересны тем, что эукариотические организмы и, в частности, человек, произошли именно от них. На сегодняшний день, большая часть архебактерий обитает в экстремальных условиях. Один многочисленный класс этих бактерий производит метан, другой обитает в крайне солёном окружении, третий живет в горячих источниках или около серных осаждений или у гидротермальных подводных вулканов в океане.
До того, как стало доступно ДНК-секвенирование, на протяжении многих лет различить между собой эти два главных класса бактерий по внешнему виду было невозможно. Никто не понимал, насколько они непохожи. Но общие черты этих двух групп бактерий позволяют пролить свет на клеточную организацию единого предка, являющегося родоначальником всей жизни. Он должен быть одноклеточным, микроскопических размеров, порядка наименьшей живой клетки (1-5 микрометров) и его ДНК была расположена непосредственно в цитоплазме, а не заключена в ядро. Такую клеточную организацию используют все современные бактерии. Совокупность перечисленных видов, у которых отсутствует четко обозначенное клеточное ядро, называется прокариотами (см. рисунок 6).
Среди эубактерий выделяют цианобактерии (долгое время по ошибке их называли сине-зелёными водорослями), которые изобрели фотосинтез, в результате которого образуется газообразный кислород. С их помощью кислородная атмосфера планеты была создана из воды. Возможно именно благодаря их работе на протяжении двух миллиардов лет, кислород в атмосфере стал занимать значительную долю среди других газов (около 21 процента на текущий момент). Приблизительно в то же время произошла вторая инновация: архебактерии разделились на две группы. Одна из них ведет к современным архебактериям, тогда как вторая дала начало эукариотическим организмам (организмам, клетки которых содержат ядро). Эукариоты на сегодняшний день включают в себя разнообразное царство одноклеточных протистов (которые неудачно были названы Простейшими, к примеру, амебы или инфузории-туфельки) и наряду с ними, огромные царства растений, животных и грибов.
Эукариотические (ядерные) клетки значительно отличаются от прокариотических (безъядерных). Они приобрели обширное количество новшеств на протяжении периода от двух миллиардов до полутора миллиардов лет назад. Как показано на Рис.6, в основном инновации заключались в более сложной клеточной организации. Современные эукариотические клетки из таких непохожих организмов, как дрожжи (грибы), протисты, растения и животные крайне сходны между собой по своему внутреннему устройству. Из этого можно сделать вывод, что их общий предок эволюционировал в широком спектре самых разных внешних условий, в котором на сегодняшний день живут его потомки. Появление первой эукариотической клетки стало главным и основательным успехом. Из-за сходства между генами человека и генами более примитивных организмов, более простые организмы, к примеру, могут быть использованы в качестве моделей для испытания лекарств. Которые затем применяются непосредственно для лечения людей.
В процесс «изобретения» эукариотических клеток был вовлечен целый ряд характерных новшеств. Наиболее удивительные черты эукариотов – это их размер и сложность. Ядерные клетки заметно больше бактериальных по объему: от ста до тысячи раз. У них есть многочисленные внутренние мембраны, которые выстилают маленькие отсеки, называемые органеллами («маленькими органами»). Органеллы специализированы на выполнение разнообразных функций. ДНК расположена в одной из таких органелл, клеточном ядре. Все РНК копируются с ДНК именно в нем. Подобная специализация малых отсеков клеточного объема была почти невозможна в небольших размерах прокариотических клеток. Более того, в эукариотических клетках содержится большее количество ДНК, в сравнении с прокариотами. К примеру, желудочная бактерия E.coli насчитывает около 4300 генов, тогда как дрожжи – 6300, а человек – 22500. Количество ДНК, не кодирующей РНК и порой называемой мусорной ДНК (довольно опасный термин для вещей, которые непонятны), у эукариотов также намного больше. Таким образом, отношение размера генома (количества нуклеотидных оснований) к количеству генов у сложных животных в сто раз больше в сравнении с бактериями.
У эукариотических клеток развилась способность поглощать большие частицы еды, тогда как бактерии, окруженные твердой оболочкой для поддержания формы, вынуждены выделять пищеварительные энзимы во внешнее окружение. В отсутствие твердых «окружающих стенок» форма клетки эукариотов обеспечивается за счет распределенного цитоскелета (клеточного скелета). Он представляет собой динамическую, перестраивающуюся структуру и способен принимать многочисленные конфигурации. Наряду с цитоскелетом, форму клетки поддерживают молекулярные насосы, закачивающие или выкачивающие из ее объема малые ионы (вроде Na+). Их роль заключается в предотвращении разрыва оболочки из-за разницы осмотического давления. После поглощения частицы еды эукариотическая клетка заключает её в пузырёк, окруженный мембраной (везикулу) и транспортирует везикулу внутри цитоплазмы. Эти обособленные отсеки в виде пузырьков, в дальнейшем внутри клетки используются по прямому назначению, сливаясь с другими пузырьками, содержащими пищеварительные энзимы. Число «отсеков», их природа, размер и функции у разных организмов отличаются. Однако основные механизмы их образования и обмена веществ между отсеками, появились около двух миллиардов лет назад у самых ранних эукариотических предков в результате эволюции.
Ключевой сохраняющейся особенностью всех эукариотических клеток является половое размножение. Бактерии редко обмениваются генетической информацией. Тогда как большинство эукариотов часто делают это путём полового размножения. У некоторых видов этот процесс обязателен на каждом жизненном цикле. Вообще говоря, половое размножение не является необходимым. Многие эукариотические организмы могут размножаться как бесполым путем, разделившись надвое. Так и половым, при котором две клетки, уменьшив наполовину свой хромосомный набор за счет мейоза, восстанавливают полный набор при слиянии друг с другом, а затем делятся обычным образом. У некоторых многоклеточных организмов две сливающиеся клетки сильно различаются между собой, к примеру, как сперматозоид и яйцеклетка. Но у большинства одноклеточных эукариотов они одинаковы. Основные черты механизма полового размножения являются общими для всех эукариотов и они должны были появиться еще во времена одноклеточных предков.
Многочисленные нововведения проявились в усложнении организации предка эукариотов. Увеличилась степень разнесения реакций и их компонент по отдельным «отсекам», появилась значительно большая пространственная организация, усилился контроль над тем, когда именно или где конкретно в клетке должны происходить те или иные события. На это наложилась более четкая временная специализация различных фаз клеточного цикла. Перечисленные черты позже будут переняты сложными многоклеточными организмами и использованы в более широких пределах.
Возникновение эукариотической организации клеток породило удивительное разнообразие одноклеточных протистов за последние полтора миллиарда лет – даже не упоминая то ответвление, которое привело к многоклеточности. Но с точки зрения организации метаболизма ранние эукариотические клетки были довольно простыми. Вероятно, они получали большинство веществ в готовом виде от бактерий, которых они поедали. Нововведения были сохранены и переданы по наследству всем современным эукариотам без изменений. Общие черты и унифицированность биологии эукариотов составляют содержание университетских курсов по менделевской генетике и современной клеточной биологии. Это консервативные генетические и клеточные биологические процессы, которые формируют вторую группу сохраняющихся центральных процессов всех живущих эукариотических организмов, включая человека.